JP2018132452A - 画像処理装置、画像処理方法及びプログラム - Google Patents
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Description
<3次元形状システムの装置構成について>
図1は、三次元形状測定システムの装置構成を示す図である。101は測定の対象となる被測定物体であり、102は被測定物体101を固定するための試料台である。103は三次元形状測定に必要な二次元のパターン画像を被測定物体101に投影するための投影装置である。投影装置103としては、640×480画素であり、LED光源を用いた単板モノクロのDLP方式プロジェクターを用いるが、これに限るものではない。被測定物体101上に二次元のパターン画像を投影できるものであればどのようなものであってもよい。104は、投影装置103によりパターン画像が投影された被測定物体101を撮像する撮像装置である。撮像装置104としては、8688×5792画素のCMOS方式のエリアセンサを有するDSLR(Digital Single Lens Reflex camra)に焦点距離が100mmのマクロレンズを組み合わせたものを用いる。また、撮像装置104は被測定物体101上の輝度に対し線形な信号値を得る光電変換特性を有しているものとする。また、記録される画像データは、各画素でRGB3チャンネルの色情報を有し、各チャンネルが16ビットで量子化されるものとする。尚、撮像装置104は、光電変換特性やチャンネル数、量子化ビット数など上記一例に限定するものではない。105は投影装置103及び撮像装置104を制御して得られた画像データから、被測定物体101の三次元形状を算出する処理を行う画像処理装置である。本実施例における画像処理装置105は、CPU、RAM(ランダムアクセスメモリ)等の主記憶装置、HD(ハードディスク)やフラッシュメモリ等の補助記憶装置を備えたPC(Personal Computer)として説明する。ただし、画像処理装置105は、PCに限るものではなく、マイクロコンピュータ等であってもよい。
図2は画像処理装置105において実行されるプログラムの機能構成を示すブロック図である。尚、201はユーザからの操作を受け付ける入力装置であり、例えばキーボード、マウス等のデバイスである。また、202はユーザが入力した内容や測定条件、測定結果をユーザに提示する表示装置であり、液晶モニタ等のデバイスである。入力装置201、表示装置202は、何れも図1に不図示である。
図3は、測定アプリケーション210の処理の流れを説明するフローチャートである。測定アプリケーション210は、まず、ステップS301にて、取得制御部207の命令群を用いて被測定物体101上にパターン画像を投影し、撮像する一連の処理を実行する。ステップS301の処理が終了すると、ステップS302において形状算出部208の命令群を実行し、撮像によって得られた画像データから被測定物体101の三次元形状情報を算出する。本実施例において得られる三次元形状情報は、撮像装置104のエリアセンサの各画素の高さ情報を各32ビットの浮動小数点で記録した高さ画像(高さデータ)とするがこれに限るものではない。尚、高さ情報が表す高さは、試料台の表面からの被測定物体101の高さである。最後に、ステップS303において、ステップS302によって得られた三次元形状情報を表示装置202に表示し、処理を終了する。この処理は、3次元形状情報である高さデータの各画素に記録された高さを濃淡で示し二次元分布(高さ分布)を表示するなどの処理を行う。尚、ステップS303の処理を上記の処理に限定するものではなく、表示装置202に表示を行わず、不図示のHDやフラッシュメモリ等に直接記録するよう構成しても良い。
図4は、投影装置103が投影するパターン画像を説明する図である。図4に示すパターン画像は、投影装置103の画素と1対1に対応する640×480画素、0(黒)〜255(白)の画素値をとる8ビットのグレースケール画像であるものとして説明する。尚、画素数、ビット深度、色数等はこれに限るものではない。
図5は、ステップS302を実行する形状算出部208の機能構成を示すブロック図である。読み込み部501は、撮像装置104によって撮像され、HD等の記録媒体に記録された撮像画像データを読み込む。第1生成部502は、図4(a)〜(c)のパターン画像に対応する3枚の画像データから式(4)に従って各画素の位相を算出し、位相画像データを生成する。このとき、位相は、画像データのGチャンネルのみを使用して算出する。尚、R、G、Bの各チャンネルを所定の重みで加算した輝度情報から算出しても良い。また、位相画像データは、各画素1チャンネル、0〜2πまでの値をとる32ビットの浮動小数点の画素値が記録された画像データとして不図示のRAM等の記録媒体に記録されるものとするが、これに限るものではない。
ここで、ΦRはリファレンスとして試料台102を測定した場合の、位相接続後の位相画像データが表す位相値である。リファレンスとなる位相画像データは予めHD等に保存されている。このΦRは、被測定物体101を除いた試料台102のみに対して接続部504による位相接続までの測定および処理を行うことによって取得できる。また、αは係数であり、位相の周期の長さや投影装置103の光軸と試料台102の法線とのなす角度に応じて予め決定された値である。
図8は、式(4)のI1、I2、I3が表す正弦波信号の位相値の標準偏差を、反射率(振幅値)を横軸にしてプロットした図である。尚、当該正弦波信号には、標準偏差が0.4の正規分布特性を有するノイズを加えてある。この図から、式(4)により位相値を算出すると、正弦波の振幅値が低いときに急激に位相値の標準偏差が大きくなり、位相値がばらつくことがわかる。一般に、被測定物体101の反射率が低い場合、投影された正弦波パターンが被測定物体101で反射され、撮像装置104に入る光量が少なくなる。そのため、撮像された正弦波の振幅値が少なくなり、さらに撮像装置104のノイズが加わると位相値がばらつき、それに応じて式(6)で算出される高さもばらついてしまう。特に被測定物体101の領域ごとに反射率が大きく異なる場合には、反射率が高く明るいところノイズが小さく、反射率が低く暗いところでノイズが大きくなってしまう。この暗部でノイズが大きくなる高さデータを3Dプリンタ等で再現すると違和感のある不自然な再現となってしまう。そこで本実施例においては、どの反射率でもノイズが一様となるようノイズ低減を行う。尚、本実施例においては、高さデータに対して平滑化フィルタを用いたフィルタ処理(平滑化処理)を行うことによってノイズを低減する。
C(x,y)=1
otherwise
C(x,y)=1
・・・式(7)
ただし、Nはフィルタサイズであり、式(8)によって決定される。
フィルタサイズNは、反射率データが表す反射率Aのβ乗に反比例するよう決定される。尚、α、βは予め設定された定数であり、α≧0、β≧1の値をとる。
・・・式(9)
ここで、H’は平滑化処理後の高さデータが表す高さである。
<変形例1>
実施例1においては、画像処理装置105が投影装置103および撮像装置104を制御することによって画像データを取得し、取得した画像データから反射率データおよび高さデータを生成していたが、上記一例には限定されない。予め投影装置103および撮像装置104を用いて、実施例1と同様の処理から反射率データおよび高さデータを予め生成しておいて、RAMまたはHD等のメモリに記憶させておく。画像処理装置105は、記憶させておいた反射率データおよび高さデータをメモリから取得し、実施例1のノイズ低減処理を行うのみでもよい。この場合の画像処理装置105における形状算出部208の機能構成を図9に示す。この構成により、反射率データおよび高さデータの生成を行わずにノイズが均一な三次元形状情報を得ることができる。
実施例1における平滑化フィルタは公知の移動平均フィルタであり、フィルタ係数を式(7)によって決定した。しかし、平滑化フィルタは移動平均フィルタに限定されず、公知のガウシアンフィルタを用いてもよい。この場合、フィルタ係数は以下の式(10)を用いて決定する。
実施例1では、フィルタサイズNが反射率Aと反比例の関係にあるとして式(8)によってNを決定したが、上記一例に限定されない。図8の特性が横軸(反射率)の対数と比例関係にあるとみなし、式(11)を用いてフィルタサイズNを決定してもよい。
このとき、定数α、βはα≧0、β≧0の値をとる。
実施例1においては、撮像装置104を1台利用し、位相シフト法により三次元形状測定を行う例を示したが、これに限るものではなく、位相画像を算出する三次元形状測定の方法であればどのような方式でもよい。例えば、複数台の撮像装置を用い、それらから算出した位相画像をステレオマッチング法により対応させ、三角測量の原理により三次元形状を取得するいわゆるステレオ位相シフト法を用いてもよい。
第2生成部503は、位相に対応する振幅値を算出することによって反射率データを生成したがこれに限るものではない。例えば、投影装置103から全面白色の投影パターンを投影し、投影された被測定物体101を撮像装置104で撮像して得られた画像データから、輝度情報を算出し、反射率データとして用いるよう構成してもよい。また、第2生成部が生成するデータは反射率分布を表す反射率データに限定されず、被測定物体101の光の反射率分布がわかれば、被測定物体101で反射した光の量の分布(光量分布)を表す光量データや輝度分布を表す輝度データであってもよい。
実施例1では、ノイズ低減処理後の高さデータを表示装置202に表示する、もしくは、HDやフラッシュメモリ等に直接記録する。しかし、上記の例には限定されない。例えば、ノイズ低減処理後の高さデータに基づいて、インクジェットプリンタや3Dプリンタなどのプリンタが被測定物体101を表す画像又は三次元形状をプリントするためのプリントデータを生成しプリンタに出力してもよい。この場合、形状算出部208は、プリントデータ生成部およびプリントデータ出力部を有する。または、画像処理装置105が生成したプリントデータに基づいてプリントを行うプリント部を有していてもよい。尚、プリントデータは、例えば、色材量を表す色材量データや色材を記録するか否かの2値を表す2値データ、三次元形状を表すSTLデータなどである。
本発明は、上述の実施例の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
901 第1取得部
902 第2取得部
506 ノイズ低減部
Claims (18)
- 互いに異なる複数のパターンが投影された物体を撮像して得られた画像データに基づいて生成された、前記物体の高さ分布を表す高さデータを取得する第1取得手段と、
前記高さ分布に対応する前記物体の反射率分布を表す反射率データを取得する第2取得手段と、
前記反射率データに基づいて、前記反射率分布における第1領域に用いる平滑化フィルタのカットオフ周波数よりも、前記第1領域よりも反射率が大きい第2領域に用いる平滑化フィルタのカットオフ周波数の方が高くなるように、前記高さデータに対して平滑化フィルタによる平滑化処理を行う処理手段と、
を有することを特徴とする画像処理装置。 - 前記高さデータは、位相シフト法によって生成されたデータであることを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
- 前記平滑化フィルタは、ガウシアンフィルタであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の画像処理装置。
- 前記平滑化フィルタは、移動平均フィルタであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の画像処理装置。
- 前記反射率データは、前記画像データに基づいて生成されるデータであることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の画像処理装置。
- 前記画像データは、正弦波状に輝度が変化するパターンを表すパターン画像と、前記パターン画像から正弦波の位相をずらしたパターンを表すパターン画像とが投影された前記物体を撮像することによって得られた複数の画像データであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の画像処理装置。
- 前記処理手段は、前記反射率データに基づいて、前記反射率分布における前記第1領域に用いる平滑化フィルタのフィルタサイズよりも、前記第1領域よりも反射率が大きい第2領域に用いる平滑化フィルタのフィルタサイズの方が小さくなるように、前記高さデータに対して平滑化フィルタによる平滑化処理を行うことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の画像処理装置。
- 前記平滑化フィルタのフィルタサイズは、前記反射率データが表す反射率分布における反射率の対数と比例の関係にあることを特徴とする請求項7に記載の画像処理装置。
- 前記平滑化フィルタのフィルタサイズは、前記反射率データが表す反射率分布における反射率と反比例の関係にあることを特徴とする請求項7に記載の画像処理装置。
- 前記物体に互いに異なる複数のパターンを投影するように、投影装置を制御する第1制御手段と、
前記第1制御手段によって制御された前記投影装置によって互いに異なる複数のパターンが投影された前記物体を撮像するように、撮像装置を制御する第2制御手段と、
前記第2制御手段によって制御された前記撮像手段の撮像によって得られた複数の前記画像データに基づいて、前記高さデータを生成する高さデータ生成手段と、をさらに有し、
前記第1取得手段は、前記高さデータ生成手段によって生成された前記高さデータを取得することを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか一項に記載の画像処理装置。 - 前記物体に互いに異なる複数のパターンを投影する投影手段と、
前記投影手段によって互いに異なる複数のパターンが投影された前記物体を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段の撮像によって得られた複数の前記画像データに基づいて、前記高さデータを生成する高さデータ生成手段と、をさらに有し、
前記第1取得手段は、前記高さデータ生成手段によって生成された前記高さデータを取得することを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか一項に記載の画像処理装置。 - 前記処理手段によって平滑化処理された前記高さデータに基づいて、プリンタが前記物体を表す3次元形状をプリントするためのプリントデータを生成するプリントデータ生成手段と、
前記プリントデータを前記プリンタに出力するプリントデータ出力手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項1乃至請求項11のいずれか一項に記載の画像処理装置。 - 前記処理手段によって平滑化処理された前記高さデータに基づいて、プリンタが前記物体を表す三次元形状をプリントするためのプリントデータを生成するプリントデータ生成手段と、
前記プリントデータに基づいて、前記物体を表す三次元形状をプリントするプリント手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項1乃至請求項11のいずれか一項に記載の画像処理装置。 - 前記処理手段によって平滑化処理された前記高さデータを表示装置に出力する高さデータ出力手段をさらに有することを特徴とする請求項1乃至請求項13のいずれか一項に記載の画像処理装置。
- 前記処理手段によって平滑化処理された前記高さデータを表示する表示手段をさらに有することを特徴とする請求項1乃至請求項13のいずれか一項に記載の画像処理装置。
- 互いに異なる複数のパターンが投影された物体を撮像して得られた画像データに基づいて生成された、前記物体の高さ分布を表す高さデータを取得する第1取得手段と、
前記高さ分布に対応する、前記物体において反射した光の光量分布を表す光量データを取得する第2取得手段と、
前記光量データに基づいて、前記光量分布における第1領域に用いる平滑化フィルタのカットオフ周波数よりも、前記第1領域よりも光量が多い第2領域に用いる平滑化フィルタのカットオフ周波数の方が高くなるように、前記高さデータに対して平滑化フィルタによる平滑化処理を行う処理手段と、
を有することを特徴とする画像処理装置。 - 互いに異なる複数のパターンが投影された物体を撮像して得られた画像データに基づいて生成された、前記物体の高さ分布を表す高さデータを取得する第1取得ステップと、
前記高さ分布に対応する前記物体の反射率分布を表す反射率データを取得する第2取得ステップと、
前記反射率データに基づいて、前記反射率分布における第1領域に用いる平滑化フィルタのカットオフ周波数よりも、前記第1領域よりも反射率が大きい第2領域に用いる平滑化フィルタのカットオフ周波数の方が高くなるように、前記高さデータに対して平滑化フィルタによる平滑化処理を行う処理ステップと、
を有することを特徴とする画像処理方法。 - コンピュータを請求項1乃至請求項16のいずれか一項に記載の画像処理装置の各手段として機能させるためのプログラム。
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JP2017027298A JP2018132452A (ja) | 2017-02-16 | 2017-02-16 | 画像処理装置、画像処理方法及びプログラム |
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CN116608794A (zh) * | 2023-07-17 | 2023-08-18 | 山东科技大学 | 一种抗纹理3d结构光成像方法、***、装置及存储介质 |
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